兰大团队破译基因密码　种子披耐高温“装甲”

随着极端高温天气

在全球范围内呈现出频发的趋势

兰州大学向云

追踪基因密码

只为给种子披上“耐高温装甲”

研究携带“不怕热”基因的玉米

聚焦种业和粮食安全

攻关玉米种业“卡脖子”难题

01

六年破译基因密码：花粉中的耐热之谜

随着极端高温天气在全球范围内呈现出频发的趋势，高温已成为威胁农业生产、引发作物减产的重要因素之一。然而，植物在应对高温胁迫过程中的具体机制尚不明确。

“被子植物——包括水稻、玉米和小麦——占了地球植物种类的一半以上，粮食产量全靠它们开花结果。”说到这些，向云既关切又焦虑，“花粉发育、萌发及花粉管生长过程都对高温尤其敏感。持续高温天气会直接切断植物的‘受精通道’。”

向云决心带领团队攻克这个难题。2017年初春开始，他们从拟南芥这个模式植物入手开展耐高温相关研究。

经过多年奋战，团队建立一个包含了大约1万株独立株系的拟南芥突变体库，经筛选后找到大约200个符合条件的候选对象，同时通过“回交”技术手段确定了基因突变位点，并经过基因测序技术验证确认了这个目标基因。

仅在基因定位这个关键阶段，他们就花了两年时间。之后的三年里，他们深入研究选定的目标基因，最终彻底摸清了PGSL1这个耐热基因的功能和作用机制。

“这个过程就像是在一大片基因森林里，给每一棵树都挂上了编号牌。”

其中，揭开PGSL1基因秘密的征途，始于一场与“未知”的较量。当团队从万千突变体中锁定这个数据库里毫无记载的神秘基因时，迎接他们的是一片空白——没有功能注释，没有同源线索，如同手握无字天书。

在向云的带领下，一支由青年教师和博士生组成的科研小队开始了漫长的功能破译：在恒温实验室里，他们系统检测了微丝成核、聚合解聚、结构稳定性等所有细胞骨架调控路径，显微镜下的常规培养（精确控温22℃）却始终波澜不惊。

经历了整整六个月常温下的反复却毫无进展的探索，实验一度陷入停滞。转机出现在团队集体决策调整研究方向、集中攻关高温胁迫之后——当培养箱的37℃高温指示灯亮起时，突变体的花粉管在热胁迫下生长明显受阻，显示出对高温的敏感性。

这一突破性现象迅速推动了后续实验。研究人员进一步发现：即使在沸水煮沸的条件下，PGSL1蛋白仍能保持结构完整与功能活性。

该成果最终于2025年4月17日在著名期刊《Nature Communications》上发表。

向云指着最终发表的论文感慨道：“2017筛突变体，2019-2021定位基因，2021-2023解析功能，再加一年投稿修改——团队接力才雕琢出这颗种子。”

这项研究成果在植物遗传学领域具有重要意义，不仅为解析筛突变体的分子机制提供了全新思路，还为未来作物改良和农业发展奠定了重要的科学基础。

02

携带“不怕热”基因的玉米：从实验室到田间的突破

“开花植物在地球上大规模出现的年代，大约在1.4亿到6500万年前的白垩纪时期。那时地球的平均温度高达32℃，比现在炎热得多。在如此高温环境下，开花植物为何反而迎来了大繁荣？这个谜团是我们团队重点研究的课题之一。”

向云2024年发表在植物学主流期刊《The Plant Cell》的研究中发现，ADF这种植物蛋白在进化过程中发生了特殊改变——它原本并不耐热，但通过分子结构的调整，获得了耐高温的新能力。紧接着在他2025年的新研究中发现，PGSL1蛋白天生就能耐受高温。“作为植物特有的蛋白质，它是在高温环境中自然进化产生的保护盾。”

这两项发现共同揭示了大自然的智慧：在史前高温时期，植物通过两种方式应对环境挑战：一是改造已有蛋白质的耐热功能（如ADF），二是创造出全新的耐热蛋白（如PGSL1）。正是这些适应机制，帮助开花植物在炎热的地质年代蓬勃生长。

而这也为培育新一代耐高温作物打开了新路：通过寻找更多类似的植物耐热蛋白，利用基因技术改造玉米、水稻等作物，让它们能更好应对如今高温的挑战。

目前，团队已关注到PGSL1基因的产业应用价值，并且将其纳入下一步工作计划中。

“当前玉米、水稻等主要粮食作物在种植过程中正面临严峻的高温胁迫影响，尤其在我国黄淮海区域约2亿亩的夏播玉米田，其开花授粉期频繁遭遇高温干扰，水稻生产也存在类似困境。”

向云认为，对于新一代科研人员而言，不仅要解答基础科学问题，更需要架设连接理论发现与实际应用的桥梁，形成通过基础科研破解产业痛点的完整路径，解决生产中的实际问题，服务于国家战略需求和经济社会发展需要。

于是在2016年，向云将实验室里在拟南芥上的发现转向真正的农田战场。在兰州大学细胞活动与逆境适应教育部重点实验室专家集体决策下，玉米被选定为头号研究对象——这是中国最重要的作物之一，种植面积达6亿亩，占全国耕地面积的三分之一，并且甘肃省供给了全国玉米种子的一半以上，但每年7月至8月，35℃以上的高温炙烤着正值授粉期的玉米，导致大面积籽粒减产。

向云与兰州大学校友、齐鲁师范学院路小铎教授展开合作，采取独特的研究路线：用化学诱变技术创建了玉米种子突变体库。经过八年筛选和鉴定，他们已从逾万株玉米材料中筛选出20多个花粉耐高温的优良株系，并正在开展其耐热遗传机制的深入解析工作。

03

聚焦种业和粮食安全：攻关玉米种业“卡脖子”难题

甘肃作为我国最大的玉米制种基地，全国每两粒玉米种子中就有一粒来自甘肃，但近年来因散粉期干旱高温导致的减产已成为困扰农民的重大难题，更是有可能危及我国种业和粮食安全。

向云团队希望在前期研究的基础上，通过定向改良培育出耐高温的优势品种：利用精准的生物育种技术，定向地将耐热基因导入现有高产玉米品种，既保留了原有优良特性，又赋予它们抵抗高温的新能力。在不久的未来，农民有望种上“不怕热”的高产玉米，彻底告别因高温减产的困扰。

团队为此构建了“兰州—海南”两地轮作试验田机制。每年5月，他们会在兰州大学榆中校区播撒种子，10月收获后又立即南下海南试验田，利用热带无霜期进行“秋播冬收”，次年1月再返琼种植……这样一年三季的试验模式提供了比常规试验田更多的研究数据，也为进一步培育新品种奠定了坚实基础。

除了进行品种攻关，向云团队还积极与中种集团、甘肃隆丰祥种业等开展合作，推广他们的研究成果。

“我们最初选定玉米为研究对象就是以玉米产业发展中面临的现实难题为导向和切入点的。从玉米中找到这个基因，还可以推广到其他作物中，解决更多的实际种植问题。”通过与企业的深度合作，团队不仅能够获取一线的种植反馈，还能将实验室中的研究成果迅速转化为实践，极大地缩短了从科研到生产的周期，为培育出更具市场竞争力的玉米品种提供了有力支撑。

“一直以来，我们希望通过努力，最终创制出新的耐热品种。”向云说道。

目前向云团队已经申报了新的玉米品种。“我们计划以兰大建校周年来命名创制出的系列新品种，比如‘兰大116’或者‘兰大117’，希望以此打造我们兰大自己的学科品牌。”向云自豪地说。

一般情况下，想要申报一个新的玉米品种，需要至少三年时间来完成科研上的创新和验证，以及三年的品种审定。周期很长，但向云一直在努力，从2017年开始研究花粉耐热机制，到如今培育出特色“兰大种”，向云带领他的团队一道，用八年时间完成了从基础研究到产业突围的跨越。

近年来，兰州大学积极对接国家战略需求，充分发挥学科及科研平台优势，加强有组织科研，鼓励团队开展科研攻关，重点在一些“卡脖子”难题上做研究，取得了一系列进展，而向云团队的研究就是其中的典型代表之一。

在2025年6月26日举行的兰州大学庆祝中国共产党成立104周年表彰大会上，向云荣获“党员标兵”称号，并作为代表发言。他表示，作为拥有二十多年党龄的教师党员，将始终把抢占科技制高点和确保国家粮食安全的使命刻在心中，带领团队开展解决我国玉米种业“卡脖子”的工作，未来，将继续为实现教育强国贡献全部智慧和力量，以实际行动回馈组织信任关怀、践行责任担当。

如今，陇原大地的玉米制种田里正在孕育的，早已不再仅仅是一颗颗耐高温的种子，而是中国农业直面气候挑战、迈向高质量发展的坚定信心与强大力量。

文字丨魏渊博　严梓嫣　许天琦

图片丨受访者提供

（兰州大学官方公众号）